1、 文章編號 : 1005 0329(2009 03 0016 03設計計算NH 3/CO 2復疊制冷系統中 C O 2螺桿壓縮機的研發王炳明 , 李建風 , 吳華根 , 邢子文(西安交通大學 , 陜西西安 摘 要 : NH 3/CO 2復疊制冷系統中 , 。 本文 介紹了一種應用在低溫制冷循環中的 C O 2, 陽轉子 齒數為 5, 陰轉子齒數為 8, , 從計算結果可以 CO 2雙螺桿壓縮機能夠應用在 NH 3/CO 2復疊制冷系統中 。 關鍵詞 : CO 2/CO2; ; 制冷 : AD evelop m en t of Tw i n Screw CO 2Co m pressor for

2、NH 3/CO2Ca scade Refr i gera ti on Syste mWANG B ing 2m ing, L I J ian 2feng, WU Hua 2gen, X I NG Zi 2wen(Xi an J iaot ong University, Xi an 710049, China Abstract: The comp ress or is one of the key parts in a NH 3/CO 2cascade refrigerati on system, and it p lays an i m portant r ole t o the syste

3、m perf or mance and running cost . A t w in scre w C O 2comp ress or used f or l ow te mperature refrigerati on cycle was devel oped in this paper . The l obe nu mber of the male r ot or is 5, and the fe male is 8. The r ot or p r ofile is calculated by adop ting envel op method . According t o the

4、r ot or p r ofile, the discharge port is designed . Calculati on indicates that r ot or defor mati on and bearing could meet the require ment of the app licati on . It is shown that the t w in screw C O 2comp ress or can be used f or the NH 3/CO 2cas 2cade system.Key words: t w in scre w CO 2comp re

5、ss or; NH 3/CO 2; cascade system; refrigerati on1 前言在蒸發溫度低于 -35 的低溫場合中 , 通常采用兩級 NH 3制冷循環 。然而 , NH 3具有毒性 , 低 溫級壓縮機需要較大的工作容積 1。在 -35-50 的溫度范圍內 , NH 3/CO2復疊制冷系統的 效率接近于兩級 NH 3制冷系統 2。在冷凍干燥裝 置中 , NH 3/CO2復疊制冷系統已經成功替代 R22單級系統3、 4; 而對于食品工業 , NH 3/CO2復疊系統已取得了廣泛的應用 5。在這些系統中 , 高溫級壓縮機采用傳統的 NH 3制冷壓縮機 。 由于 CO 2級的

6、運行壓力比較高 , 對 CO 2壓縮機的設計具有特殊的要求 。作者研發了應用在 NH 3/CO2復疊系統中的 CO 2螺桿壓縮機并對樣機進行了試驗研 究 。 設計主要包括轉子型線 、 排氣孔口以及軸承 和軸封的選擇等 。 2 轉子設計 2. 1 轉子型線的產生螺桿壓縮機設計中關鍵的是相互嚙合的轉子 。 轉子設計中最重要的是型線的設計 , 因為型 線決定了螺桿壓縮機的性能 6。 CO 2螺桿壓縮機 的最高排氣壓力約為 40bar, 壓差超過 30bar, 內泄收稿日期 : 2008 07 14 修稿日期 : 2009 02 1261 F LU ID MACH INERY Vol 137, No

7、13, 2009 漏會比較嚴重 。因此 , 在轉子型線設計中必須首要考慮泄漏問題 。轉子型線主要由圓弧及其共軛曲線組成 , 這樣有助于形成動力潤滑油膜 。以轉子型線為基礎 , 可以計算諸如接觸線長度 、 泄漏三角形面積以及吸排氣孔口等幾何特征 。 然后通過壓縮機工作過程的數值模擬來獲得齒數組合 、 陰轉子的齒頂系數以及長徑比等參數的最優組合 。 最終可得到如圖 1所示的轉子型線 。 圖 2為按照設計的型線加工出的陰陽轉子 。圖 1 CO2 雙螺桿壓縮機轉子型線圖 2 CO2螺桿壓縮機轉子2. 2 轉子變形計算為了減少泄漏 , 轉子及轉子與機體間的間隙應該盡可能小 7。但是 , 應該具有足夠的間

8、隙來補償轉子變形和加工誤差 。 因此必須在轉子變形計算的基礎上合理設計間隙 。為了計算轉子的受力變形 , 需要選擇合理的邊界來加載作用在轉子上的氣體力 。 接觸線是轉子高低壓腔的分界線 , 直接影響了力矩的分配和軸承的負荷 , 因此選擇它作為受力計算的邊界 。任意轉角時接觸線可由轉子嚙合條件式和陰陽轉子螺旋齒面方程聯立得到 。 如圖 3所示為一個完整的齒間接觸線在平面的投影 。圖 3 一段接觸線投影有限元的方法可以用來計算轉子的彈性變 形 。 計算過程中 , 假設轉子材料各向同性 , 邊界上 的參數不隨時間變化 。 網格劃分如圖 4所示 。表 1及圖 5列出了轉子的受力變形計算結果 。圖 4

9、轉子網格劃分表 1 轉子力變形結果 項目 最大徑向變形 (mm 陽轉子 0. 007141陰轉子 0. 00857圖 5 轉子變形結果71 2009年第 37卷第 3期 流 體 機 械 3 排氣孔口的設計排氣孔口的位置是影響螺桿壓縮機效率的重要參數之一 , 因為它保證了 CO2在其中實現預定的內壓縮 。 根據壓縮機的運行工況 , 選擇其內容積比為 1. 5, 按照容積變化規律可以計算陽轉子的內壓縮轉角 , 最后可以得到圖 6所示的軸向排氣孔口 。圖 6 C O2螺桿壓縮機排氣孔口4 軸承和軸封的選擇雙螺桿壓縮機中可以采用滾動軸承和滑動軸承 。 旋轉速度和載荷限制了滾動軸承的應用 , 但是安裝平

10、衡活塞可以減少軸向載荷 。 在大容量的螺桿制冷壓縮機中通常選擇滑動軸承 。 為了準確定位轉子 , 減少泄露間隙 , 提高壓縮機的效率 , 選擇滾動軸承來承受軸向力 , 采用滑動軸承承受徑向力 。設計的 CO2雙螺桿壓縮機是開啟式壓縮機 ,需要可靠的軸封來防止 CO2和潤滑油的泄露 。為此選用一種彈簧式的機械軸封 。由于 CO2性質穩定 , 對軸封的材料沒有特殊的要求 。5 樣機性能測試按照上面的設計 , 制造了 CO2螺桿壓縮機樣機 。 在圖 7所示的試驗臺上對 CO2螺桿壓縮機的性能進行了測試 。 整個系統通過一個復疊式換熱器來連接 , 它既是 NH3級循環的蒸發器 , 又是 CO2級的冷凝

11、器 。 壓縮機的容積流量通過容積流量計來測量 。 壓縮機的容積效率隨壓比的變化關系見圖 8。 CO2壓縮機的設計工況為蒸發溫度 -40 ,冷凝溫度 -12 , 從圖 8可以看出 , 設計工況下 ,CO 2螺桿壓縮機的容積效率為 0. 84 。圖 7 NH3/CO 2 復疊制冷系統試驗臺圖 8 不同壓比下的容積效率6 結語當蒸發溫度低于 -35 時 , NH3/CO2復疊系 統的效率接近于傳統制冷系統的效率 。 在工業生 產領域 , 該系統已得到了越來越廣泛的應用 。為 了滿足節能和環境保護的需要 , 作者研發了一種 CO 2雙螺桿壓縮機 。理論計算可以看出轉子變形和軸承可以滿足要求 。通過對

12、NH3/CO2復疊系統中 CO2螺桿壓縮機樣機的測試表明雙螺桿壓縮 機可以成功的應用在這種場合中 。參考文獻1 Andre w B. Pears on . The U se of Carbon D i oxide /Am2 monia Cascade Syste m s For Low Te mperature Food Re 2 frigerati onA.22nd Annual Meeting of I nternati onal I nstitute Ammonia Refrigerati on C .Nashville, T N, 2000. 43258.2 Lobregt S, Ko

13、ppenol A D. CO 2system s are s weep ing thr ough the Netherlands A .21st II R I nternati onal Congress of Refrigerati on C .W ashingt on D. C . , US A, 2003. 1532159.(下轉第 63頁 81 F LU I D MACH INERY Vol 137, No 13, 2009 供冷季與供熱季土壤溫度隨時間的變化曲線的斜 率依次變大 。 表明管內流體溫度對井內壁土壤溫 度的影響依次更直接更迅速 。可以看到 , 井內壁 處溫度曲線峰值出現

14、9月初 , 谷值出現在 3月初 , 表明此處土壤溫度出現最值的時間與地表氣溫幾 乎是同步的 。 與圖 3、 圖 4曲線相比 , 提早了 23個月左右 , 說明同在換熱器周圍 , 距埋管換熱器越 近 , 該處溫度受管內流體熱 (冷 作用的影響越直 接 。圖 5 井內壁處土壤溫度的周年變化4 結論(1 回填材料黃沙 +膨潤土的傳熱性能優于水泥漿 +膨潤土 。散熱能力在進水溫度 35 時前者比后者高 11%左右 , 取熱能力在進水溫度 5 時高 5%左右 。采用黃沙 +膨潤土的井埋管 還比采用水泥漿 +膨潤土的井埋管提供更大的進 出口溫差 ;(2 換熱井內壁處土壤溫度曲線波峰出現在 9月初 , 波谷

15、在 3月初 , 在井外 , 隨著離井距離的 增加 , 溫度曲線出現峰谷值的時間將向后延遲 23個月 。 運行一年后 , 井埋管周圍土壤溫度升 高 , 距離井埋管越遠 , 溫升幅度越大 ;(3 地埋管換熱器周圍土壤溫度場的偏移現 象說明 , 該熱泵對地埋管區域土壤的排熱量大于 取熱量 。 對于夏熱冬冷的華東地區來說 , 建筑物 需要的制冷能量大于制熱能量 , 加上壓縮機 、 水 泵 、 風機等設備的功耗 , , 如何采取 技術措施 。1 陳衛翠 , 劉巧玲 , 賈立群 , 等 . 高性能地埋管換熱器鉆孔回填材料的實驗研究 J .暖通空調 , 2006, 36(9 :126.2 趙軍 , 張春雷

16、, 李新國 , 等 . U 型埋管地源熱泵系統實驗研究 J .華北電力大學學報 , 2004, 31(6 , 65267.3 趙軍 , 宋德坤 , 李新國 , 等 . 埋地換熱器放熱工況的現場運行試驗研究 J .太陽能學報 , 2005, 26(2 :1622165.4 劉猛 , 何雪冰 , 劉憲英 . 某住宅地源熱泵系統夏季運行測試研究 J .暖通空調 , 2005, 36(1 :1182121.5 Muraya N K . Ther mal interference of adjacent legs in avertical U 2tube heat exchanger f or a gr

17、 ound 2coup led heat pu mp J .ASHRAE Transacti ons, 1996, 102(2 :12221.作者簡介 :鄭紅旗 (19832 , 男 , 在讀碩士研究生 , 通訊地址 :210096江蘇南京市進香河路 35號群英樓 1003室 。(上接第 18頁 3 Adrian Page . C O 2/NH3Refrigerati on Rep lace R 222inLarge Freeze 2D rying Plant A.24th Annual Meeting I nternati onal I nstitute of Ammonia Refrige

18、rati on C .Kansas City, MO, 2002. 1227.4 Paul Hom sy . Ammonia /CO2cascade syste m in a largefreeze 2drying p lant:less ons learned during installati on and comm issi oningA .2003Ammonia Refrigerati on Conference &Exhibiti on, A lbuquerque C .Ne wMexico, US A, 2003. 3172355.5 Claus K . Gr oenne, M akot o Matsui . C O 2/NH3cascaderefrigerati on syste m J .Refrigerati on, 2001, 76(889 :97